真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输.ppt

,第一节 细胞质基质(cytomatrix) 细胞液、透明质、胞质溶胶、基质,1、涵义：去除细胞器和细胞结构部分（蛋白2030）,2、功能： 许多代谢过程的场所（糖酵解、糖原合成）； 与细胞骨架的选择性结合（细胞内功能的区域化）； 蛋白质修饰（糖基化、去/磷酸化、酰基化、甲基化、共价结合）； 控制蛋白质的寿命（由N端第一个氨基酸决定稳定性，泛素水解）； 降解变性和错误识别的蛋白质； 帮助变性和错误折叠的蛋白质重新折叠；,细胞内组分的合成、分泌和内吞途径,3、内膜系统,细胞内房室化,第二节 内质网 （占细胞膜系统的一半，细胞体积的10）,1、粗面内质网（rER） 多扁平囊状，膜表面有大量核糖体附着 易位子：直径8.5nm, 通道2nm，内质网膜上的蛋白 复合体通道，与新合成的多肽进入内质网有关,2、光滑内质网（sER） 常为分支管状，形成较为复杂的立体结构，表面没有核糖体附着,一、内质网的类型,粗面内质网上有20种以上蛋白与光滑内质网不同,粗面内质网的形态,内质网,3、内质网与细胞内其它细胞器的关系 1、与细胞膜相连：甚至有管道相通 2、与外层核膜相接：内质网腔与核周隙相通 3、与高尔基体在结构、功能与发生上关系密切 4、rER与线粒体紧密相依： 过去：供能 最近：与脂质的相互交换及Ca2+释放的调节关系密切 5、ER的分布与微管走向一致 （核膜内质网高尔基体质膜）, 蛋白质合成 蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质网膜上。 在内质网上合成的蛋白质包括： 1、向细胞外分泌的蛋白质 2、膜整合蛋白 3、构成细胞器中的可溶性驻留蛋白 4、需要进行修饰的蛋白质 脂质合成 内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的全部膜脂 （磷脂和胆固醇）：a, 通过出芽方式转运到高尔基体，溶酶体和细胞膜上; b, 磷脂转运蛋白,二、内质网的功能,蛋白质的修饰加工,糖基化: 在内质网的腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过膜上的糖基转移酶，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬氨酸残基上。,N连接的糖基化 糖:N乙酰葡萄糖胺 氨基酸：天冬氨酸 发生部位：内质网(rER) O连接的糖基化 糖：N乙酰半乳糖胺 氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸 发生部位：高尔基体（主要） 细胞质基质中只发现少数几种简单的糖基化,粗面内质网上N-连接寡糖的合成过程,粗面内质网上N-连接寡糖的合成过程,N-连接的糖基化,酰基化 发生在内质网的胞质侧 软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上 高尔基体、膜蛋白向细胞膜的转移中也发生类似 的酰基化 另外，在内质网上还发生羟基化和二硫键形成等,新生多肽的折叠与装配,1、蛋白二硫键异构酶 切断二硫键，帮助其重新形成 二硫键，并处于正确的状态,2、结合蛋白（Bip） 能识别不正确的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进其重新折叠与组装,3、4肽信号 滞留在内质网中的蛋白质的信号（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO） 如 蛋白二硫键异构酶 结合蛋白（Bip）,折叠错误、畸形肽链、未装配等,胞质,通过Sec61p复合体,被蛋白酶体降解,内质网的其他功能,1）合成脂蛋白（外输性）肝细胞中的sER 2）解毒功能肝细胞中的sER 如：细胞色素P450家族酶系（又称加单氧酶系、羟化酶系） 由一些氧化还原酶构成，是电子传递系统，但不与 ATP合成相偶连 不溶于水的废物、代谢产物 细胞色素P450家族酶系 羟基化 尿液排出 3）合成固醇类激素睾丸间质细胞的sER 4）储存Ca2+肌细胞中的sER 5）为细胞质基质中的Pr、酶提供附着点 6）储存、运输物质，能量与信息传递，细胞的支持和运动 等作用。,三、内质网与基因表达的调控,第三节 高尔基复合体(Golgi apparatus),一、形态结构： 1，一般由48个扁平膜囊堆叠成（直径1um，中间窄， 周缘呈泡状），扁囊间距1530nm。 2，有极性：形成面(forming face)或顺面(cis face) 成熟面(mature face)或反面(trans face) 顺面膜囊；中间膜囊；反面膜囊；泡囊,高尔基体,高尔基体,高尔基体与内质网,3，化学反应： 嗜锇反应（形成面） 焦磷酸硫胺素酶反应（成熟面的12层膜） 胞嘧啶单核苷酸酶反应（膜囊状，管状结构） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应 （中间几层）,顺面膜囊（forming face, cis Golgi） 接受内质网新合成的物质，分类后转入中间膜囊， 小部分返回（驻留蛋白）；丝氨酸O-连接的糖基化， 跨膜蛋白胞质侧的酰基化 中间膜囊（medial Golgi） 多数糖基化修饰，膜质形成，多糖合成 反面膜囊（trans Golgi，网状结构） 管网状，连接囊泡；参与蛋白质的分类与包装， 最后输出；囊泡运输,4、化学组成： 高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类，具有一些和ER共同的蛋白成分。 膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间，中性脂类主要包括胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。 高尔基体中的酶主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不同的类型。,二、高尔基体的功能,高尔基体的主要功能是将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。 1、蛋白质的糖基化及其修饰 N-连接的糖链合成起始于内质网，完成于高尔基体。 许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。O-连接的糖基化在高尔基体中进行，通常第一个连接上去的糖单元是N-乙酰半乳糖，连接的部位为Ser、Thr和Hyp的OH基团，然后逐次将糖基转移上去形成寡糖链。 糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记，改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。 在高尔基体上还可以将一至多个氨基聚糖链通过木糖安装在核心蛋白的丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖。这类蛋白有些被分泌到细胞外形成细胞外基质或粘液层，有些锚定在膜上。 内质网和高尔基体中与糖基化和寡糖加工有关的酶都是整合膜蛋白。,2、参与细胞分泌活动 负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是SER上合成蛋白质，进入ER腔，出芽形成囊泡，进入CGN，在medial Gdgi中加工，在TGN形成囊泡，囊泡与质膜融合、排出。 高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。 分选：每一类蛋白质都有特异的标识（溶酶体中的酶带有M6P, 6-磷酸甘露醇）；分选主要与蛋白质有关，分选和转运的信息存在于基因本身。,3、进行膜的转化功能 高尔基体的膜无论是厚度还是在化学组成上都处于内质网和质膜之间，因此高尔基体在进行着膜转化的功能，在内质网上合成的新膜转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合，使新形成的膜整合到质膜上。 4、将蛋白水解为活性物质 如将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质（胰岛素C端）或将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多肽，如神经肽。 5、参与形成溶酶体。 6、参与植物细胞壁的形成。 7、合成植物细胞壁中的纤维素和果胶质。,三、高尔基体与细胞内的膜泡运输,第四节 溶酶体和过氧化物酶体,1、溶酶体的结构 1955年de Duve与Novikoff首次发现溶酶体（lysosome）。它是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。 具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。根据完成其生理功能的不同阶段可分为初级溶酶体（primary lysosome），次级溶酶体（secondary lysosome）和残体（residual body）。,一、溶酶体,后溶酶体（溶酶体残体）,1、初级溶酶体 直径约0.20.5um，膜厚7.5nm，内含物均一，无明显颗粒，是高尔基体分泌形成的。 含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。其水解酶包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶类，已知60余种，这些酶均属于酸性水解酶。 溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：膜上有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低，膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解，具有多种载体蛋白用于将水解的产物向外转运。,2、次级溶酶体 又称消化泡，是正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为异噬溶酶体（phagolysosome）和自噬溶酶体（autophagolysosome） ，前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。 3、残体 又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的脂褐质。,二、溶酶体的功能 溶酶体的主要作用是消化，是细胞内的消化器官，细胞自溶，防御以及对某些物质的利用均与溶酶体的消化作用有关。 细胞内消化：对高等动物而言细胞的营养物质主要来源于血液中的水分子物质，而一些大分子物质通过内吞作用进入细胞，如内吞低密度脂蛋白获得胆固醇，对一些单细胞真核生物，溶酶体的消化作用就更为重要。 细胞凋亡：个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或重建，如昆虫和蛙类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，称为程序性细胞死亡，注定要消除的细胞以出芽的形式形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。,自体吞噬：清除细胞中无用的生物大分子，衰老的细胞器等，如许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右。 防御作用：如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。 参与分泌过程的调节：如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。 形成精子的顶体：顶体相当于一个化学钻，可溶穿卵子的皮层，使精子进入卵子。,动物细胞溶酶体系统示意图,三、溶酶体的发生 初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽的形式形成的，其形成过程如下： 内质网上核糖体合成溶酶体蛋白，进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰，进入高尔基体Cis面膜囊，N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑，将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在12个甘露糖残基上，在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体，与trans膜囊上的受体结合，选择性地包装成初级溶酶体。,溶酶体的发生,溶酶体发生过程,四、溶酶体与疾病 1矽肺 二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。 2肺结核 结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。,3各类贮积症 贮积症（storage disease）：是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。 台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：又叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累（图6-30），影响细胞功能，造成精神痴呆，26岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。 II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。,Gaucher病：又称脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏- 葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内,巨噬细胞变成Gaucher 细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在1 岁内死亡。 细胞内含物病（inclusion-cell disease，I-cell disease）：一种更严重的贮积症，是N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的。由于基因突变，高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞（default pathway）。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体（inclusion）”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径。 4类风湿性关节炎 溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎 。,台萨氏综合症神经元细胞溶酶体,二、过氧化物酶体,过氧化物酶体（peroxisome）又称微体（microbody），由J. Rhodin（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。是一种具有异质性的细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。直径约0.2-1.5um，通常为0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。 共同特点是内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。,人肝细胞过氧化物酶体,烟草叶肉细胞的过氧化物酶体,2、过氧化物酶体的功能 各类氧化酶的共性是将底物氧化后，生成过氧化氢。 RH2+O2R+H2O2 过氧化氢酶又可以利用过氧化氢，将其它底物（如醛、醇、酚）氧化。 RH2+H2O2R+2H2O 此外，当细胞中的H2O2过剩时，过氧化氢酶亦可催化以下反应： 2H2O2 2H2O + O2,在动物中过氧化物酶体参与脂肪酸的氧化（另一细胞器是线粒体），大鼠肝细胞过氧化物酶体在服用降脂灵后，酶浓度升高10倍。此外，过氧化物酶体还具有解毒作用，因为过氧化氢酶能利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在过氧化物酶体中氧化为乙醛。 在植物中过氧化物酶体主要有：参与光呼吸作用，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，在萌发的种子中，进行脂肪的-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体（glyoxysome）。,3、溶酶体的发生 从系统发生的角度来看，过氧化物酶体可能是一种古老的细胞器，在光合生物出现后，大气中的氧含量逐渐提高，而细胞内的氧对早期的生物具有毒害作用，过氧化物酶体的功能就是消除细胞内的氧，并产生细胞所需要的某些代谢物。虽然在过氧化物酶体中黄素蛋白、氧化酶和过氧化氢酶之间可以形成一个简单的呼吸链，但不起能量转换的作用。后来线粒体产生后就取代了过氧化物酶体的这种功能，并且其电子传递与ATP合成相偶联。,从个体发生的角度来看，过氧化物酶体来源于已存在过氧化物酶体的分裂。过氧化物酶体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下，进入过氧化物酶体，引导蛋白质进入过氧化物酶体的信号序列是-Ser-Lys-Leu-COO-。但对于过氧化物酶体膜上与蛋白输入有关的受体和转位因子了解甚少，至少和23种被称为peroxin的蛋白有关，其机理显著不同于线粒体和叶绿体的蛋白转运，如受体Pex5（一种peroxin）是伴随着货物进入过氧化物酶体的，然后再返回细胞质。,过氧化物酶体发生示意图,过氧化物酶体与疾病 Zellweger综合征是一类与过氧化物酶体有关的遗传病，也叫脑肝肾综合征，患者细胞的过氧化物酶体中，酶蛋白输入有关的蛋白质变异，过氧化物酶体是“空的”。脑、肝、肾异常，出生3-6个月内后死亡。,3各类贮积症 贮积症（storage disease）：是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。 台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：又叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累（图6-30），影响细胞功能，造成精神痴呆，26岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。 II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。,第五节 蛋白质分选与细胞的结构装配,蛋白质的定向转运（分选）,一、蛋白质分选信号 细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence or targeting sequence ），其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor）。 信号肽信号识别颗粒颗粒受体,细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号： 信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结上 的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些信号序列在完 成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切 除。 信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构 成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白 质分选的信号。 每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向，如输入内质网 的蛋白质通常N端具有一段信号序列，含有6-15个带正电荷 的非极性氨基酸。目前对于信号斑了解较少，主要是因为它 存在于复杂的三维结构中，很难将其分离出来研究。,两类蛋白质分选信号,分泌性蛋白在内质网上的合成过程,内部的信号锚定序列,跨膜蛋白合成,二、蛋白质分选的基本途径和类型,蛋白质合成和分选的分泌途径,分泌蛋白的成熟过程,蛋白质的分选运输途径主要有三类： 1、门控运输（gated transport）：如核孔可以选择性的主 动运输大分子物质和RNP复合体，并且允许小分子物质自由 进出细胞核。 2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨 膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质在信号序列 的引导下，通过线粒体上的转位因子，以解折叠的线性分 子进入线粒体。 3、膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被选择性地 包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔 基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某 些营养物质或激素，都属于这种运输方式。 4、蛋白质在细胞基质中的运输（细胞骨架体系）。,三、膜泡运输,细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体；细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。,大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat），衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有两个主要作用：选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；如同模具一样决定运输小泡的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积。 胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，动力来自马达蛋白（motor proteins）。与膜泡运输有关的马达蛋白有3类：一类是动力蛋白（dynein），可向微管负端移动；另一类为驱动蛋白（kinesin），可牵引物质向微管的正端移动；第三类是肌球蛋白（myosin）,可向微丝的正极运动。在马达蛋白的作用下，可将膜泡转运到特定的区域，,（一）衣被类型 已知三类具有代表性的衣被蛋白，即：笼形蛋白 （clathrin）、COPI和COPII，各介导不同的运输途径。,1、笼形蛋白（网格蛋白）衣被小泡 笼形蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到 内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜 泡运输。 笼形蛋白分子由3个重链和3个轻链组成，形成一 个具有3个曲臂的形状（triskelion）。许多笼形蛋白的曲臂 部分交织在一起，形成一个具有5边形网孔的笼子。,笼形蛋白衣被小泡(电镜照片，分子模型，衣被模型),笼形蛋白衣被小泡的形态,笼形蛋白形成的衣被中还有衔接蛋白（adaptin），介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种不同类型的衔接蛋白，可分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。 当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白动力素（dynamin）聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜拉近（小于1.5nm），导致膜融合，动力素是一种GTP酶，调节小泡以出芽形式脱离膜的速率。动力素可以召集其它可溶性蛋白在小泡的颈部聚集，通过改变膜的形状和膜脂的组成，促使小跑颈部的膜融合，形成衣被小泡。 当衣被小泡从膜上释放后，衣被很快就解体，属于hsp70家族的一种分子伴侣充当衣被解体的ATP酶。,笼形衣被小泡的组成,Clathrin衣被小泡的掐断过程,2、COP I衣被小泡 负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。 内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡 ：一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。,内质网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们在C端含有一段回收信号序列（retrieval signals），如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体cis面，则cis面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成COPI衣被小泡将它们返回内质网。内质网腔中的蛋白，如蛋白二硫键异构酶和协助折叠的分子伴侣，均具有典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意氨基酸），同样可保证它们的回收。 COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。,COPI衣被小泡,3、COP衣被小泡 介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于COP I的衣被小泡，某些温度敏感型的酵母，由于COP II衣被蛋白发生变异，在特定温度下会在内质网中积累蛋白质。 COP II衣被由多种蛋白质构成，其中Sar1GTP酶与Sec23/ Sec24复合体结合在一起，形成紧紧包围着膜的一层衣被。真核生物的COP II衣被蛋白亚单位具有一些横向同源物（Paralog），这些同源物可能介导不同的蛋白质转运，具有不同的调节机制。,COP II衣被小泡形成于内质网的特殊部位，称为内质网出口（exit sites），这些部位没有核糖体，由交织在一起的管道和囊泡组成网络结构。 由内质网到高尔基体的蛋白转运中，大多数跨膜蛋白是直接结合在COP II衣被上，但是少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II衣被结合，这些受体在完成转运后，通过COP I衣被小泡返回内质网。 COP II衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样。,内质网驻留蛋白回收示意图,（二）衣被的形成 衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitment GTPase）作用下形成的。衣被召集GTP酶通常为单体GTP酶（monomeric GTPase），也叫G蛋白，起分子开关的作用，结合GDP的形式没有活性，位于细胞质中，结合GTP而活化，转位至膜上，能与衣被蛋白结合，促进组装。 衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar 1蛋白，Arf参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COP I衣被的形成，Sar 1参与内质网上COP II衣被的形成，两者的作用方式大体相似。质膜上笼形蛋白衣被的形成也与GTP酶有关，但其成分尚不明确。,衣被召集GTP酶大量存在于细胞质中，但处于结合GDP的失活状态。当内质网上要形成COPII衣被小泡时，Sar 1释放GDP结合GTP而激活，激活的Sar 1暴露出一条脂肪酸的尾巴，插入内质网膜，然后开始召集衣被蛋白，以衣被蛋白为模型形成运输小泡。活化的衣被召集GTP酶还可以激活磷脂酶D（phospholipase D），将一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白质牢固地结合在膜上。 衣被召集GTP酶对衣被的形成其动态调节作用，当多数衣被召集GTP酶处于结合GTP的状态时，它催化衣被的形成；反之当多数衣被召集GTP酶处于结合GDP的状态时，它催化衣被的解体。因此衣被的形成过程是边形成便解体的动态过程，只有在组装速率大于解体速率时，才能形成衣被小泡。,COPII衣被小泡的组装,膜泡锚定与融合的特异性是通过转运泡膜上的蛋白和靶膜上的蛋白相互作用获得的,（三）膜泡运输的定向机制 衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，马达蛋白水解ATP提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSF attachment protein receptor）和Rabs（targeting GTPase）。其中SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合，Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。,1、SNAREs SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合。动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-SNAREs和 t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREs complexes），并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。 在SNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNAREs必须以分离的状态存在，NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein, NSF）催化 SNAREs的分离，它是一种类似分子伴娘的ATP酶，能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开,T 和 V SNAR,SNAR复合体,SNAR复合体的解离,在神经细胞中SNAREs负责突触小泡的停泊和融合，破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解SNAREs，从而阻断神经传导 精卵的融合、成肌细胞的融合均涉及SNAREs，另外病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。,病毒融合蛋白的工作原理,2、Rabs Rab也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集GTP酶相似的是，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs的调节蛋白与其它G蛋白的相似。Rabs还有许多效应因子（effector），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs释放它的抑制因子。许多运输小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。,Rab的作用,（四）细胞的内吞与外排 1、受体介导的内吞 细胞的内吞可分为两类，批量内吞（Bulk-phase endocytosis）和受体介导的内吞(Receptor mediated endocytosis, RME)，批量内吞是非特异性的摄入细胞外物质，如培养细胞摄入辣根过氧化物酶。细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。 受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。,衣被小窝（coated pits）是质膜向内凹陷的部位，约占肝细胞和成纤维细胞膜表面积的2%。受体大量集中于此处，凹陷的胞质侧具有大量的笼形蛋白和衔接蛋白，类似的结构也存在于高尔基体的TGN区。受体在衣被小窝处的集中与是否结合配体无关。衣被小窝就相当一个分子过滤器（molecular filter），帮助细胞获取所需要的大分子物质。 运输小泡的衣被中，除笼形蛋白外，还有衔接蛋白（adaptin）。它介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。衔接蛋白存在有不同的种类，可分别结合不同类型的受体。 跨膜受体蛋白的胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列（Tyr-X-X-），此序列是发生内吞作用的信号，X表示任何一种氨基酸，为分子较大的疏水氨基酸，如Phe、Leu、Met等，衔接蛋白对此序列有识别能力。,受体同配体结合后启动内化作用，笼形蛋白开始组装。在dynamin的作用下掐断后形成衣被小泡（coated vesicles）。衣被小泡进入胞质后，衣被蛋白随即脱去，分子返回到质膜下方，重又参与形成新的衣被小泡。其过程和高尔基体的TGN区形成溶酶体小泡的过程相似。 胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（